已知数列 $\left\{ {{a_n}} \right\}$ 满足 ${a_0}=\dfrac{1}{2}$,${a_n}={a_{n-1}}+\dfrac{1}{{{n^2}}} \cdot a_{n-1}^2$,求证:$\dfrac{{n+1}}{{n+2}}<{a_n}<n$.
【难度】
【出处】
【标注】
  • 数学竞赛
    >
    数列
    >
    数列不等式
  • 知识点
    >
    代数变形
    >
    代数式的形
    >
    分拆与裂项
  • 题型
    >
    不等式
    >
    数列不等式的证明
  • 知识点
    >
    不等式
    >
    放缩
    >
    裂项放缩法
【答案】
【解析】
注意到 $\left\{ {\dfrac{1}{{{a_n}}}} \right\}$ 单调递减趋于 $0$,将递推式改写为$$\dfrac{1}{{{a_{n-1}}}}-\dfrac{1}{{{a_n}}}=\dfrac{1}{{{a_{n-1}}}}-\dfrac{1}{{{a_{n-1}}+\dfrac{1}{{{n^2}}} \cdot {a_{n-1}}^2}}=\dfrac{1}{{{n^2}+{a_{n-1}}}}$$欲证不等式为$$\dfrac{1}{n}<\dfrac{1}{{{a_n}}}<\dfrac{{n+2}}{{n+1}},$$也即$$\dfrac{n}{{n+1}}<\dfrac{1}{{{a_0}}}-\dfrac{1}{{{a_n}}}<2-\dfrac{1}{n}.$$由 ${a_{n-1}}>0$ 得$$\dfrac{1}{{{a_{n-1}}}}-\dfrac{1}{{{a_n}}}<\dfrac{1}{{{n^2}}}$$于是$$\dfrac{1}{{{a_0}}}-\dfrac{1}{{{a_n}}}=\sum\limits_{k=1}^n {\left( {\dfrac{1}{{{a_{k-1}}}}-\dfrac{1}{{{a_k}}}} \right)}<\sum\limits_{k=1}^n {\dfrac{1}{{{k^2}}}}<1+\sum\limits_{k=2}^n {\dfrac{1}{{\left( {k-1} \right)k}}}=2-\dfrac{1}{n}$$此时 ${a_n}<n$,于是$$\dfrac{1}{{{a_{n-1}}}}-\dfrac{1}{{{a_n}}}=\dfrac{1}{{{n^2}+{a_{n-1}}}}>\dfrac{1}{{{n^2}+n-1}}>\dfrac{1}{n}-\dfrac{1}{{n+1}}$$进而$$\dfrac{1}{{{a_0}}}-\dfrac{1}{{{a_n}}}=\sum\limits_{k=1}^n {\left( {\dfrac{1}{{{a_{k-1}}}}-\dfrac{1}{{{a_k}}}} \right)}>\sum\limits_{k=1}^n {\left( {\dfrac{1}{k}-\dfrac{1}{{k+1}}} \right)}=\dfrac{n}{{n+1}}.$$因此原不等式成立.
答案 解析 备注
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